达坂城风电场动态无功补偿方案研究

1文章编号：中图分类号：TM714文献标识码：A学科代码：520·6020达坂城风电场动态无功补偿方案研究田继伟张新燕（新疆大学电气工程学院，新疆维吾尔族自治区乌鲁木齐市830008）StudyonDynamicReactivePowerCompensationSchemeofDabanchengWindFarmTIANJi-wei，ZHANGXin-yan(SchoolofElectricEngineering,Xinjianguniversity,Urumqi830008,China)ABSTRACT:ToconstructDabanchengwindfarmandsurroundingpowergriddetailedmodelsinPSS/Einterface.AndthenactualizethreekindreactivepowercompensationschemeforDabanchengwindfarminshortcircuitfault,tocomparetheirpowergrid’svoltagerecoverability.ThissimulationresultcanbereferenceddataforDabanchengwindfarmsafeandsteadyrun..KEYWORDS:windfarm;reactivepowercompensation;voltage;PSS/E;Dabancheng摘要：在PSS/E环境下构建达坂城风电场及周边电网详细模型，然后对达坂城风电场在短路故障条件下采取了三种不同的无功补偿方案，比较了其电网电压的恢复能力。该仿真结果对于达坂城风电场的安全稳定运行具有一定参考意义。关键词：风电场；无功补偿；电压；PSS/E；达坂城0引言新疆地区的风力资源十分丰富，然而风电场一般远离负荷中心，承受冲击的能力很弱，随着风电装机规模的扩大，风电的不可控性将给周边地区的电网电压造成一定影响。因此，合理地对风电场进行无功补偿，对于保证该地区电网电压的稳定具有相当重要的意义【1，2】。使用无功补偿可以改善电网的电压稳定和大型风电场的故障穿越能力【3】。从动态稳定极限的角度看，使用无功补偿意味着“提升”风速在额定值以上范围时的电气转矩与速度关系特性。这可以理解为，当考虑感应发电机电气转矩与速度关系特性时，可以跟随高于失速速度范围内对US=1.0情况计算的曲线。这一配置可提高临界速度ωCR，从而改善电压稳定性【4】。无功补偿的目的在于重建电网电压并使大型风电场穿越输电网的短路故障。电网电压必须在已确定的运行范围内重建。这意味着电压可能没有表现出失控衰减趋势。电压过高也是不能接受的，因为这会导致其他损坏。因此，风电场需要的无功补偿既可能是容性的，也可能是感性的【5】。只要定速风电机组不使用保护性解列，在电压重建时这类风电机组的感应发电机就会从电网吸收无功功率。因此，这种情况下需要的无功补偿的性质就是容性的【6】，它包括但不限于以下各类。（1）静止无功补偿器(SVC)。它包含大量并联电容器和电抗器，分别起发出无功和吸收无功的作用，但实际运行时其输出要经过协调。术语“静止”表示该装置没有运动及旋转部件。电容器投切和电抗器连续控制分别由可控硅开关和可控硅阀实现【7,8】。（2）同步调相机。它是没有原动机和机械负荷的同步电动机。它的无功输出由励磁控制。调相机可使用调压器自动调节与电网的无功交换，维持期望的机端电压【9】。（3）Statcom，即静止同步补偿器。它是用含IGBT（绝缘栅双极晶体管）开关的电力电子器件控制的电压源变换器【10】。1新疆电网与达坂城电网的结构及特点。本文的研究目的在于，以PSS/E软件包为2平台，建立达坂城及其周边电网的单线图模型，考察达坂城风电场在短路故障条件下，串联无功补偿装置后保持稳定运行的能力。图一、达坂城风电场及周边电网结构简图PSS/E风机软件包中共包含了四种风电机组模型，分别为GE公司生产的1.5MW和3.6MW两种风电机组模型(GEl5和GE36)，它们是基于双馈感应发电机的变速恒频风电机组结构；另两种为丹麦VESTAS公司生产的0.66MW和1.8MW、基于滑差可调的绕线式异步风力发电机的恒速恒频风电机组结构(VS47和VS80)【11、12】。达坂城1号和2号风电场的总装机容量为l00MW，其中普通定速风电机组占总装机容量的60%，最优滑差风电机组占总装机容量的40%;达坂城3号风电场的装机容量为300MW，采用变速运行的双馈风电机组。由于软件包内的风机模型比较单一，对于没有的模型，本文将尽量选择与其相近的进行代替【13】。2对达坂城风电场进行无功补偿分析输电系统中最常发生的短路故障是单相对地短路及不接地的相间短路。从实际经验看，定速风电机组可以穿越这样的短路故障。然而，风电机组最严重的过速是由三相短路故障引起的。从动态稳定极限角度看，对于保持定速风电机组的电压稳定和故障穿越能力来说，三相短路故障是最严苛的工况。为此，需要开展对这类代表最严苛工况的三相短路故障的短时电压稳定性进行研究。如果装有感应发电机的定速风电机组可以穿越这类三相短路故障，则它也可以穿越发生在同一节点持续时间相同的其他类型短路故障。因此，该文所模拟的短路故障均为三相短路故障。下面的研究结果分别针对带连续控制的SVC单元，带不同控制系统的调相机和Statcom。2.1对达坂城风电一场串联静止无功补偿器达坂城风电一场装有定速、主动失速控制的风电机组。主动失速控制只用来优化风电机组出力，不支持风电机组的故障穿越能力。为改善达坂城风电一场的电压稳定和故障穿越能力，可使用连续控制的SVC单元【14】。换句话说，SVC单元及其控制是用ABB设备的元件导向模型说明的。研究参数是SVC单元的无功功率容量。我们先研究当达风一场在静止无功补偿和其他控制都没有时，短路故障导致风电一场电压波动情况，仿真曲线如图二所示。图二、在没有串联静止无功补偿装置时，发生三相短路故障后达坂城风电一场并网母线电压波动曲线然后我们对达风一场串联20MvarSVC单元，仿真曲线如图三所示。3图三、在串联20Mvar静止无功补偿装置后，发生三相短路故障时，达坂城风电一场并网母线电压波动曲线由图二和图三我们可以看出，达坂城风电一场在发生三相短路故障时，电压重建需要的SVC单元无功功率容量至少为20Mvar。SVC单元无功功率容量低于20Mvar会发生电压失稳，风电一场会从电网解列。在串联无功补偿装置后，母线电压在SVC的支持下得以重建，电压在短路故障发生后不到2.5秒的时间内恢复。注意：SVC单元无功功率容量与电压稳定性的关系也很密切，无功补偿容量过高时，会造成冲击电压升高，反而造成电压更加不稳定【15】。如下图，静止无功补偿30MvarSVC，风电一场四条并网母线的电压曲线。图四、30MvarSVC补偿容量情况下达坂城风电一场发生三相短路故障时，四条并网母线的电压计算结果表明：SVC使短路扰动后的暂态过程有一定的缩短，短路前后的稳态电压更接近，但可能引起暂态过电压；SVC补偿容量过大，引起的暂态过电压越高。因此，仅从技术上看，短路情况下SVC的效益取决于其容量、控制方式和参数、设置地点等多方面因素，也有可能出现不利过电压的危险。2.2对达坂城风电二场串联同步调相机同步调相机需要的无功功率容量与SVC单元正确重建电网电压所需的容量范围相同。与使用SVC单元相比，使用同步调相机时风电机组极端电压下降和风电机组发电机加速度都更小一些。这一差别的原因是，电网发生故障时，同步调相机已经开始提供无功了，即向电网提供短路容量。在达风二场三相短路故障发生3秒后，同步调相机在机端（用它的励磁控制）生成具有同步发电机特性的期望电压，见图五。图五、使用30Mvar同步调相机，发生短路故障时，达坂城风电二场并网母线电压波动后趋于平稳从仿真曲线我们可以看出，同步调相机恢复电压的时间要明显落后于相同容量的SVC单元。SVC单元是故障清除后才开始提供无功。只有电网电压停留在给定限值以上时，SVC才作为无功源运行。电网电压跌落到这一限值以下时，SVC单元可能达到其增压限值。在增压限值点，SVC的运行点可以与无功功率为2SCCUXQ的并联电容器运行点比较。发出无功功率的降低与电网电压平方成正比【16】。42.3对达坂城风电三场串联Statcom用Statcom达风三场进行无功补偿时，Statcom的无功容量必须至少为50Mvar。与SVC和同步调相机相比，Statcom可能是最昂贵的（每Mvar）。对于一个给定风电场的情况，减少无功容量本身并不能成为放弃SVC和同步调相机而采用Statcom的充分理由。SVC和Statcom的运行费用可以认为是相似的，因为它们都没有运动和旋转部件，而是用电力电子设备控制的【17】。在达风三场串联50MvarStatcom后,短路故障的仿真曲线如图六所示。图六、使用Statcom，发生短路故障时，达坂城风电三场并网母线电压波动后趋于平稳由图六我们可以看出在串联Statcom后，并网母线电压在故障发生后不到2秒的时间内恢复，无功补偿效果良好。4结论：本文以达坂城地区三个风电场作为具体算例,提出在风电网并网过程中使用三种无功补偿器作为调节电压的手段,详细分析和研究了在电网重要负荷节点安装无功装置的作用。(1)在达坂城风电一场重要负荷点安装20MvarSVC，可满足严重故障情况下的无功补偿要求,维持节点电压质量，但过度补偿可造成节点冲击电压升高。(2)在发生三相短路故障时,达风二场串联30Mvar同步调相机对稳定其节点电压能够起到明显的稳定作用,但响应时间明显落后于相同容量的SVC装置。(3)在达风三场重要输电线路发生短路故障时,节点电压在statcom的支持下能在2秒的短时间内基本恢复到原来的水平,可见STATCOM相比于SVC有更快的响应速度，无功功率特性好于相同容量的SVC，在暂态过程中能够提供相比与SVC更多的无功贡献，因此，故障后并网母线电压恢复重建速度明显快于SVC方案下的电压恢复速度。当然在工程实际中，配置选择不能仅仅取决于设备的性能，还需综合考虑设备的可控性和造价。本文研究对提高风电场并网后电网的安全稳定运行有着一定的参考意义。参考文献：[1]ChaiCI，LeeWJ，PraditF，etal．Systemimpactstudyfortheinterconnectionofwindgenerationandutilitysystem[J]．IEEETransonIndustryApplications，2005，41(1)：163-168．[2]孙涛，王伟胜，戴慧珠，等.风力发电引起的电压波动和闪变[J].电网技术，2003，27(12):63-70。SunTao,WangWeisheng，DaiHuizhu，etal.Voltagefluctuationandflickercausedbywindpowergeneraiton[J].PowersystemTechnology,2003，27(12):63-70(inChinese)[3]Eriksson,K.,Halvarsson,P.,Wensky,D.,Hausler,M.(2003).Systemapproachondesigninganoffshorewindpowergridconnection,InFourthInternationalWorkshoponLarge-ScaleIntergrationofWindPowerandTransmissionNetworksforOffshoreWindfarms,Billund,Denmark,11p.[4]Cigre(1999).StaticSynchronousCompensator(Statcom).EditedbyErinmez,L.A.andFoss,A.M.,CigreWorkingGroup14.19,Report144.5[5]Kundur.P.(1994).Powe